Прочность и долговечность дисков колес из перспективных материалов современных легковых автомобилей и мотоциклов

Колесо является универсальным движителем современных наиболее массовых транспортных средств. Колеса применяются на легковых и грузовых автомобилях, мотоциклах, велосипедах, самолетах, самоходных погрузчиках, тракторах и комбайнах, на железнодорожном транспорте и т. д. В подавляющем большинстве колеса работают вместе с пневматической шиной. Колесо вследствие специфики своего функционирования является телом вращения. Практически все колеса состоят из ступицы, диска и обода. Ступица является массивной деталью. Диск и обод выполняются тонкостенными со сложным профилем и переменными по толщине. К тому же на диске выполняются крепежные и вентиляционные или ручные отверстия, а промежутки между ними называются спицами. Спицы могут занимать практически всю длину диска. Из приведенной характеристики следует, что колесо является весьма сложной конструкцией.

Объектом исследования настоящей работы являются колеса легковых автомобилей и мотоциклов с диском сложного профиля при наличии1 регулярной системы спиц. Рассматривается наиболее напряженный режим работы — это движение на поворотах.

Актуальность проблемы связана с тем, что в последнее время в колесное производство внедряются легкие сплавы взамен конструкционной колесной I стали. Обладая достаточной прочностью и жесткостью, легкосплавные колеса значительно легче стальных и обладают значительно меньшим моментом инерции, что является их преимуществом во многих отношениях, в частности по динамике разгона и торможения, по плавности хода и управляемости, по воздействию на подвеску и т. д. К прочности и надежности таких колес предъявляются повышенные требования.

Однако до настоящего времени не существует надежного и быстрого метода расчета напряженно-деформированного состояния колеса при реально воздействующих на него нагрузках. Существующие отдельные методы приближенны и не учитывают всю сложность 'конструкции. Отработка прочности проектируемых колес ведется экспериментально-теоретическими методами на основе уже разработанных моделей. Необходимо уже на этапе проектирования дать в руки конструктору надежный, быстрый и эффективный метод расчета прочности, максимально учитывающий характерные особенности колеса, применяемые материалы и условия его функционирования.

Современный уровень развития численных методов и вычислительной техники дает ключ к разрешению проблемы — разработке эффективного численного метода расчета прочности современных и перспективных конструкций колес из новых легкосплавных материалов. Научно-практическая задача состоит в объединении в едином расчетном методе сложность геометрической формы, многослойность, переменность толщины слоев, резкие изменения толщины, наличие регулярных систем спиц на отдельных участках диска, переменный характер поверхностных и контурных нагрузок, цикличность прилагаемых нагрузок, усталостные свойства применяемых материалов и качество обработки поверхности!

Направления и методы решения поставленной проблемы состоят в объединении преимуществ теории тонких оболочек, наиболее популярного и мощного в настоящее время численного метода конечных элементов, метода Фурье решения двумерных математических задач и инженерных методов оценки усталостной прочности конструкций. Разрабатываемый метод ориентирован на применение ПЭВМ, которыми в настоящее время оснащено любое конструкторское бюро.

Работа состоит из введения, четырех глав основной части, основных результатов и выводов, списка литературы и трех приложений.

В первой главе обсуждается состояние вопроса и ставится задача исследования расчета колес и оценки их долговечности. Проводится анализ существующих методов расчета колес. Отмечается значительная трудность расчета. Анализируются аналитические и численные одномерные, двумерные и трехмерные методы расчетов. На основе проведенного анализа делается вывод о наибольшей эффективности численного метода, основанного на оболочечном представлении колеса. Приводятся основные соотношения I теории тонких оболочек вращения, вводятся жесткостные характеристики многослойных оболочек с регулярными отверстиями, приводится уравнение равновесия оболочечной конструкции при действии поверхностно-двумерных нагрузок. Анализируются концентраторы напряжений в конструкции колеса. Приводится методика представления спиц колеса стержнями-балками, работающими на изгиб и кручение при воздействии ступицы как жесткого центра. Обосновывается методика корреляции результатов при стержневом и оболочечном подходе. Дается методика расчета усталостной прочности колеса и его пробега с учетом применяемых шин.

Во второй главе описывается применение модели конечных элементов оболочечного типа и метода Фурье к расчету напряженного состояния колес при двумерных нагрузках. Обоснован выбор конечного элемента, приведен пример дискретизации конструкции. Дается представление нагрузок й определяющих функций решения рядами Фурье. Выписан дискретный аналог уравнения равновесия в применяемом методе конечных элементов. Описывается численная реализация метода на ПЭВМ.

В третьей главе проводится методическое обоснование расчетов колес при реальных нагрузках. Приводится численный алгоритм и описание программы расчета. Приводятся результаты тестовых решений задач, имеющих аналитическое решение. Исследуются задачи оболочек вращения с кривизной, с резким изменением жесткостей, с неосесимметричным нагружением. Тесты показывают полную адекватность численных и аналитических решений. Для всех расчетов приведены подробные иллюстрации расчетных схем и характера решений.

В четвертой главе проводится расчетно-экспериментальное исследование реальных колес: двух автомобильных и мотоциклетного. Колеса выполнены штамповкой и литьем из перспективных легкосплавных материалов: деформируемого алюминиевого сплава АВ, литейного алюминиевого сплава АК7 и деформируемого магниевого сплава МА2−1 соответственно. Моделируется наиболее напряженный с точки зрения усталостной прочности расчетный случай — движение на повороте с максимальной боковой нагрузкой на колесо. Для колес из деформируемых материалов имеются эксперименты. Для колеса из литейного сплава специально выполнены эксперименты: статический по исследованию напряженного состояния и усталостный по исследованию разрушающего числа циклов. Приведены величины стационарных и нестационарных испытательных нагрузок на колеса. Моментные нагрузки изгибом с вращением для защемленных одной стороной обода колес прикладывались к ступице. В расчетных схемах, моделирующих эксперименты, учитывались все характерные особенности колес и реальные профили неосесимметричных силовых нагрузок, создающих внешний момент. Для мотоциклетного колеса if расчетной схеме учтено даже наружное стальное кольцо подшипника ступицы и определено контактное давление шариков. По результатам численного анализа и чертежной документации о чистоте обработки поверхностей рассчитана усталостная прочность колес. Результаты расчетов согласуются с результатами экспериментов. 1.

В приложении 1 приведены результаты расчета автомобильного колеса 5.5Jxl3H2 «Снежинка» из алюминиевого сплава.

В приложении 2 приведены результаты расчета мотоциклетного колеса СО-317 из магниевого сплава.

В приложении 3 приведены акты внедрения.

— 8 В диссертации показано, что степень разработанности проблемы позволяет производить прочностные расчеты реальных колес из легких сплавов и делать прогноз по их долговечности и пробегу с учетом применяемых типоразмеров шин.

Научная новизна состоит, во-первых, в обобщении метода расчета жесткостных характеристик оболочечного слоя с учетом окружных регулярных отверстий многослойной конструкции, во-вторых, в разработке методики оценки напряженного состояния колеса с учетом дискретности спиц, в-третьих, в полном учете концентраторов напряжений, размерных факторов и чистоты обработки поверхности в выявленных местах максимальных напряжений и возможности расчета усталостной прочности, и, в-четвертых, в применении этого комплексного метода к расчету реальных колес с возможностью прогноза циклической долговечности колеса с учетом применяемых типоразмеров шин.

Достоверность и обоснованность выводов и положений обеспечивается: применением теории тонких оболочек, прошедшей экспериментальную проверку в классе рассматриваемых оболочечных конструкций- '.

— использованием надежных методов сопротивления материалов для стержневых элементовиспользованием проверенных на практике методов оценки усталостной прочностиj.

— применением конечного элемента, обеспечивающего корректный учет резко меняющихся геометрических и механических характеристик и нагрузок;

— сравнением с точными аналитическими решениями;

— сопоставлением результатов численных решений с экспериментами.

Основные положения и результаты диссертации докладывались на.

XXXI и XXXIX Международных научно-технических конференциях Ассоциации автомобильных инженеров «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» (2000 и 2002 г. г.) — на одиннадцатом Международном симпозиуме «Проблемы шин и резинокордных композитов» в ФГУП НИИ Шинной промышленности (2000 г.) и опубликованы в работах [38, 47, 91, 92, 97, 98, 103].

Математическая постановка задачи, численный метод решения и результаты расчетов доложены также на XIX Международной конференции «Математическое моделирование в механике сплошных сред. Методы граничных и конечных элементов» (2001 г.) — на Международной научно-технической конференции «Современные проблемы машиноведения» в г. Гомель — республика Беларусь (2002 г.) и опубликованы в работах [89, 90].

Результаты диссертационного исследования внедрены в ОАО «Всероссийский институт легких сплавов» и в ОАО «Ступинская металлургическая компания».

На защиту выносятся следующие положения:

— метод расчета напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности современных колес автомобилей и мото циклов*, рассматривающий одновременно ступицу, диск с ручными и крепежными отверстиями, профилированный обод и учитывающий реальные действующие нагрузки;

— инженерная методика оценки напряженного состояния и усталости элементов колеса с учетом дискретности спицI.

— результаты расчетов современных колес для легковых автомобилей и мотоциклов из легкосплавных перспективных материалов;

— экспериментальное исследование по статическому нагружению и усталостному разрушению перспективного колеса легкового автомобиля;

— сопоставление результатов расчетов напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности колес с экспериментальными данными.

Выражаю благодарность научному руководителю Фомичеву Ю. И. за научно-консультационную помощь, ректору университета Карунину А. Л. за формулировку направленности исследования, заведующему кафедрой Бондарю B.C. за помощь в выборе темы, Басюку С. Т., Ваулину Д. Д., Шадскому А. А., Успенскому А. Е. за предоставленные объекты исследования, I.

Сальникову В.И., Благодарному Ю. Ф., Рубаненко А. В., Рябинину С. А. за организацию и проведение натурного эксперимента, Макарову А. И., Бузинову В. Г., Басюку Т. С. и Титареву И. А за техническую помощь в оформлении диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработан метод расчета напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности легкосплавных колес автомобилей и мотоциклов с комплексным учетом конструктивных элементов колес и действующих на них эксплуатационных нагрузок.

2. На основе анализа наиболее тяжелых условий работы колеса, связанных с боковым поворотом, разработана инженерная методика расчета напряженного состояния и усталости элементов колеса с учетом дискретности спиц.

3. Выполнены расчеты колес 5,5Jxl3H2, 6Jxl5H2 и СО-317 легковых автомобилей и мотоциклов из перспективных легкосплавных материалов АВ, АК7 и МА2−1.

4. Проведено моделирование имеющихся сертификационных испытаний, показавшее удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных результатов.

5. Проведены экспериментальные исследования по статическому нагружению и усталостному разрушению перспективного колеса 6Jxl5H2.

6. Отличие результатов расчета и эксперимента по максимальному уровню напряжения при статическом нагружении не превышает 10%, а отличие по разрушающему числу циклов не превышает 15%.

7. Разработанная методика расчета напряженного состояния и усталости легкосплавных колес внедрена в ОАО «Всероссийский институт легких сплавов» и в ОАО «Ступинская металлургическая компания». J.